બ્રહ્માંડના ગહન રહસ્યો ઉકેલતું માનવજાતનું સૌથી મોટું યંત્ર: લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડર

લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડર શું છે અને શા માટે મહત્વનું છે?

આપણા બ્રહ્માંડની રચના કેવી રીતે થઈ, દ્રવ્યને દળ ક્યાંથી મળે છે અને કુદરતના મૂળભૂત નિયમો કયા છે—આવા જટિલ પ્રશ્નોના ઉત્તર મેળવવા માટે યુરોપિયન ઓર્ગેનાઇઝેશન ફોર ન્યુક્લિયર રિસર્ચ (CERN) દ્વારા નિર્માણ કરવામાં આવેલું લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડર (Large Hadron Collider - LHC) વિશ્વનું સૌથી મોટું અને સૌથી વધુ ઉર્જા ધરાવતું પાર્ટિકલ એક્સિલરેટર (particle accelerator): કણોની ગતિ વધારતું સાધન છે. સ્વિટ્ઝર્લેન્ડ અને ફ્રાન્સની સરહદ પર જિનીવા નજીક ભૂગર્ભમાં ૫૦ થી ૧૭૫ મીટરની ઊંડાઈએ ૨૭ કિલોમીટર (૨૬.૭ કિલોમીટર) ની વર્તુળાકાર ટનલમાં આ વિરાટ પ્રયોગશાળા આવેલી છે. ૧૦૦ થી વધુ દેશોના ૧૦,૦૦૦ થી વધુ વૈજ્ઞાનિકો, સબંધી યુનિવર્સિટીઓ અને પ્રયોગશાળાઓના સંયુક્ત સહયોગથી ૧૯૯૮ થી ૨૦૦૮ દરમિયાન તેનું નિર્માણ કરવામાં આવ્યું હતું.

હેડ્રોન (hadron) એટલે એવા સબએટોમિક કણો જે ક્વાર્ક (quark) નામના મૂળભૂત કણોથી બનેલા હોય છે અને મજબૂત ન્યુક્લિયર બળ દ્વારા એકબીજા સાથે જોડાયેલા રહે છે, જેમ કે પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન. કોલાઇડર (collider) એવું પ્રવેગક સાધન છે જે વિરુદ્ધ દિશામાંથી આવતા કણોના બે બીમને સામસામે અત્યંત તીવ્ર ઝડપે અથડાવે છે. સ્થિર લક્ષ્ય પર કણ મારીને પ્રયોગ કરવા કરતા સામસામે અથડામણ કરાવવાથી સેન્ટર ઓફ માસ એનર્જી (center of mass energy): કણોની અથડામણ દરમિયાન પ્રાપ્ત થતી કુલ કાઇનેટિક ઉર્જા ઘણી વધારે મળે છે. આવી ઉચ્ચ ઉર્જા ધરાવતી અથડામણોમાંથી જ ક્ષણભંગુર નવા કણો ઉત્પન્ન થાય છે, જેનો અભ્યાસ કરીને વૈજ્ઞાનિકો કુદરતના ગહન નિયમો સમજી શકે છે.

ભૌતિકશાસ્ત્રના અણઉકેલાયેલા પ્રશ્નો અને LHC નો હેતુ

LHC નો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય કણ ભૌતિકશાસ્ત્રના મૂળભૂત સિદ્ધાંતોની ચકાસણી કરવાનો છે. કણ ભૌતિકશાસ્ત્રનું સ્ટેન્ડર્ડ મોડેલ (Standard Model): પદાર્થના મૂળભૂત કણો અને તેમના બળોને સમજાવતો સિદ્ધાંત, જે ૨૦૧૨ માં LHC દ્વારા હિગ્સ બોસોન (Higgs boson) નામના કણની શોધ સાથે પૂર્ણ થયો હતો. હિગ્સ બોસોનની શોધથી સાબિત થયું કે મૂળભૂત કણોને દળ કેવી રીતે પ્રાપ્ત થાય છે. જોકે, સ્ટેન્ડર્ડ મોડેલ બ્રહ્માંડના તમામ રહસ્યો સમજાવી શકતું નથી, તેથી LHC વધુ ઊંડા પ્રશ્નોના જવાબો શોધી રહ્યું છે.

વૈજ્ઞાનિકો LHC ની મદદથી એ તપાસી રહ્યા છે કે શું સ્ટેન્ડર્ડ મોડેલના તમામ કણોના સુપરસિમેટ્રિક ભાગીદારો અસ્તિત્વ ધરાવે છે, જેને સુપરસિમેટ્રી (supersymmetry) સિદ્ધાંત કહે છે. આ સિવાય સ્ટ્રિંગ થીયરી દ્વારા આગાહી કરાયેલા અતિરિક્ત પરિમાણો (extra dimensions) અસ્તિત્વ ધરાવે છે કે કેમ અને તેને શોધી શકાય કે કેમ તે અંગે પણ સંશોધન ચાલી રહ્યું છે. બ્રહ્માંડના કુલ માસ-એનર્જીના ૨૭% હિસ્સો ધરાવતા અદ્રશ્ય ડાર્ક મેટર (dark matter) નું વાસ્તવિક સ્વરૂપ શું છે તે જાણવું પણ LHC ના પ્રાથમિક લક્ષ્યોમાંનું એક છે.

આ ઉપરાંત, અન્ય મૂળભૂત પ્રશ્નો જેવા કે ઇલેક્ટ્રોવીક બળ અને મજબૂત ન્યુક્લિયર બળ શું કોઈ એક જ સાર્વત્રિક બળના વિવિધ સ્વરૂપો છે? ગુરુત્વાકર્ષણ બળ અન્ય ત્રણ મૂળભૂત બળો કરતાં આટલું બધું નિર્બળ કેમ છે? દ્રવ્ય (matter) અને પ્રતિ-દ્રવ્ય (antimatter) વચ્ચેની અસમાનતા પાછળ કયા કારણો જવાબદાર છે? તેમજ બ્રહ્માંડના પ્રારંભિક સમયમાં અસ્તિત્વ ધરાવતા ક્વાર્ક-ગ્લુઓન પ્લાઝ્મા (quark-gluon plasma): ક્વાર્ક અને ગ્લુઓનનું અત્યંત ગરમ પ્રવાહી સ્વરૂપનું લક્ષણ શું છે, તેનો અભ્યાસ પણ ભારે આયનોની અથડામણ દ્વારા અહીં કરવામાં આવે છે.

કણોની મહા-યાત્રા: Linac4 થી મુખ્ય રિંગ સુધી

પ્રોટોનને મુખ્ય રિંગમાં દાખલ કરતા પહેલા તેમની ઉર્જાને તબક્કાવાર વધારવા માટે શ્રેણીબદ્ધ પ્રવેગક પ્રણાલીઓમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયાની શરૂઆત લાઇનિયર એક્સિલરેટર Linac4 થી થાય છે, જે હાઇડ્રોજન આયનોને ૧૬૦ MeV (મેગા-ઇલેક્ટ્રોનવોલ્ટ) ની ઉર્જા આપે છે. ત્યારબાદ આ આયનો પ્રોટોન સિન્ક્રોટ્રોન બૂસ્ટર (Proton Synchrotron Booster - PSB) માં જાય છે, જ્યાં તેમના ઇલેક્ટ્રોન દૂર કરીને માત્ર પ્રોટોન ન્યુક્લિયસ બાકી રખાય છે અને તેમની ઉર્જા ૨ GeV (ગીગા-ઇલેક્ટ્રોનવોલ્ટ) સુધી વધારવામાં આવે છે.

ત્યારપછી આ પ્રોટોનને પ્રોટોન સિન્ક્રોટ્રોન (Proton Synchrotron - PS) માં મોકલીને ૨૬ GeV ની ઉર્જા આપવામાં આવે છે. ત્યાંથી સુપર પ્રોટોન સિન્ક્રોટ્રોન (Super Proton Synchrotron - SPS) માં આ પ્રોટોન ૪૫૦ GeV ની ઉર્જા પ્રાપ્ત કરે છે. આ બધી પ્રારંભિક પ્રક્રિયાઓ પૂર્ણ થયા બાદ પ્રોટોનને મુખ્ય LHC રિંગમાં દાખલ કરવામાં આવે છે. મુખ્ય રિંગમાં પ્રોટોન જૂથોને એકઠા કરીને ૨૦ મિનિટના સમયગાળામાં તેમની મહત્તમ ૬.૫ TeV (ટેરા-ઇલેક્ટ્રોનવોલ્ટ) ઉર્જા સુધી પ્રવેગિત કરવામાં આવે છે, જ્યાં તેઓ ૫ થી ૨૪ કલાક સુધી સતત ચક્કર લગાવે છે અને ચાર આંતરછેદ બિંદુઓ પર અથડાય છે.

એન્જિનિયરિંગની અજાયબી: મેગ્નેટ, ક્રાયોજેનિક્સ અને પાવર

LHC ની ભૂગર્ભ ટનલ ૩.૮ મીટર પહોળી છે અને તે કોંક્રિટથી લાઇન કરેલી છે, જેનો નિર્માણ કાળ ૧૯૮૩ થી ૧૯૮૮ નો છે અને પહેલાં તેનો ઉપયોગ લાર્જ ઇલેક્ટ્રોન-પોઝિટ્રોન કોલાઇડર માટે થયો હતો. આ ૨૬.૭ કિલોમીટરની રિંગમાં બે સમાંતર બીમલાઇન (અથવા પાઇપ) આવેલી છે, જેમાં કણો વિરુદ્ધ દિશામાં પરિભ્રમણ કરે છે. બીમને વર્તુળાકાર માર્ગ પર જાળવી રાખવા માટે ૧,૨૩૨ ડાયપોલ મેગ્નેટ (dipole magnet) ગોઠવવામાં આવ્યા છે, જેમાંના દરેક ડાયપોલ મેગ્નેટનું વજન ૩૫ ટન છે. બીમને કેન્દ્રિત (focus) કરવા માટે વધુ ૩૯૨ ક્વાડ્રુપોલ મેગ્નેટ (quadrupole magnet) નો ઉપયોગ થાય છે.

આ સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ (superconducting magnet): શૂન્ય અવરોધ ધરાવતા ચુંબકને તેમના કાર્યકારી તાપમાન ૧.૯ કેલ્વિન (-૨૭૧.૨૫ °C) પર રાખવા માટે ૯૬ ટન સુપરફ્લુઇડ હિલિયમ-૪ (superfluid helium) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. તાંબાની કોટિંગ ધરાવતા નાઇઓબિયમ-ટાઇટેનિયમ (Nb-Ti) ના ૪૭૦ ટન વાયરથી બનેલા આ ચુંબકોને કારણે LHC વિશ્વની સૌથી મોટી ક્રાયોજેનિક સુવિધા બને છે. જ્યારે પ્રોટોન ૪૫૦ GeV થી ૬.૫ TeV સુધી પ્રવેગિત થાય છે, ત્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્ર ૦.૫૪ ટેસ્લાથી વધીને ૭.૭ ટેસ્લા (teslas) થઈ જાય છે.

૬.૫ TeV ની ઉર્જા પર પ્રોટોનનો લોરેન્ટ્ઝ ફેક્ટર (Lorentz factor): સાપેક્ષતાવાદ મુજબ સમૂહ વધારાનો ગુણોત્તર આશરે ૬,૯૩૦ હોય છે અને તેઓ પ્રકાશની ઝડપના ૦.૯૯૯૯૯૯૯૯૦ ભાગ જેટલી ઝડપે દોડે છે, જે પ્રકાશની ગતિ કરતાં માત્ર ૩.૧ મીટર/સેકન્ડ (૧૧ કિલોમીટર/કલાક) જ ઓછી છે! પ્રોટોનને ૨૬.૭ કિલોમીટરની મુખ્ય રિંગનો એક ફેરો પૂરો કરતા ૯૦ માઇક્રોસેકન્ડથી પણ ઓછો સમય લાગે છે, જેથી તે પ્રતિ સેકન્ડે ૧૧,૨૪૫ ચક્કર લગાવે છે. બીમમાં પ્રોટોન સતત વહેવાને બદલે ૨,૮૦૮ બંચ (bunches) માં વહેંચાયેલા હોય છે, અને દરેક બંચમાં ૧૧૫ અબજ પ્રોટોન હોય છે. આ બંચ દર ૨૫ નેનોસેકન્ડે અથડાય છે, જેથી પ્રતિ સેકન્ડે ૪૦ MHz ના દરે બંચ અથડામણ થાય છે.

LHC ના સંચાલન માટે CERN ફ્રેન્ચ ઇલેક્ટ્રિકલ ગ્રીડમાંથી આશરે ૨૦૦ મેગાવોટ (MW) વીજળી ખેંચે છે, જે જિનીવા શહેરના વીજ વપરાશના ત્રીજા ભાગ જેટલી છે. તેમાંથી કણોના પ્રવેગક અને ડિટેક્ટર્સ આશરે ૧૨૦ MW વીજળી વાપરે છે. આ પ્રયોગોથી દરરોજ ૧૪૦ ટેરાબાઇટ (TB) ડેટા ઉત્પન્ન થાય છે.

અથડામણની ઉર્જા, ડિટેક્ટર્સ અને વૈશ્વિક નેટવર્ક

LHC ની પ્રથમ અથડામણ ૨૦૧૦ માં પ્રતિ બીમ ૩.૫ TeV ઉર્જા સાથે પ્રાપ્ત થઈ હતી. ૨૦૧૩ થી ૨૦૧૫ દરમિયાન તેને બંધ રાખીને અપગ્રેડ કરવામાં આવ્યું, જેથી પ્રતિ બીમ ઉર્જા ૬.૫ TeV (કુલ અથડામણ ઉર્જા ૧૩.૦ TeV) સુધી પહોંચી. ૨૦૧૮ ના અંતમાં તેને જાળવણી માટે ફરી બંધ કરાયું અને એપ્રિલ ૨૦૨૨ માં ફરી ખુલ્લું મૂકવામાં આવ્યું. મુખ્યત્વે પ્રોટોન-પ્રોટોન અથડામણ ઉપરાંત, વર્ષમાં આશરે એક મહિનો લેડ (સીસું) ના ભારે આયનોની અથડામણ કરાવવામાં આવે છે, જેમાં ન્યુક્લિયિલન દીઠ ૨.૩ TeV (અથવા આયન દીઠ ૫૨૨ TeV) ની માતબર ઉર્જા ઉત્પન્ન થાય છે.

LHC ના ચાર આંતરછેદ બિંદુઓ પર મોટા ભૂગર્ભ ખંડોમાં ૯ ડિટેક્ટર (detector): કણોની હાજરી નોંધતા સાધનો ગોઠવવામાં આવ્યા છે. ATLAS અને CMS એ બે મોટા સામાન્ય હેતુના ડિટેક્ટર છે જેમણે હિગ્સ બોસોનની શોધ કરી હતી. ALICE અને LHCb ચોક્કસ સંશોધનો માટે છે, જ્યારે TOTEM, MoEDAL, LHCf, SND અને FASER નાના અને વિશિષ્ટ સંશોધન માટેના ડિટેક્ટર છે. ALICE ડિટેક્ટરમાં ૨૦૧૦ માં પ્રથમવાર ક્વાર્ક-ગ્લુઓન પ્લાઝ્મા અને ૨૦૧૨ માં જેટ ક્વેન્ચિંગ (jet quenching) ઘટનાની પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી.

આ પ્રયોગોમાંથી વાર્ષિક ૨૦૦ પેટાબાઇટ જેટલો વિશાળ ડેટા અને સિમ્યુલેશન પ્રોસેસ કરવા માટે 'LHC કમ્પ્યુટિંગ ગ્રીડ' (LHC Computing Grid) બનાવવામાં આવી છે. આ વિશ્વવ્યાપી નેટવર્ક ૩૫ થી ૪૦ થી વધુ દેશોના ૧૭૦ થી વધુ કમ્પ્યુટિંગ સેન્ટરોને હાઇ-સ્પીડ ફાઇબર ઓપ્ટિક્સથી જોડે છે. આ ઉપરાંત, કણોના માર્ગનું સિમ્યુલેશન કરવા માટે 'LHC@home' નામનો સિટિઝન સાયન્સ પ્રોજેક્ટ પણ ચલાવવામાં આવે છે, જેમાં વિશ્વનો કોઈપણ નાગરિક પોતાના કમ્પ્યુટરનો મફત સમય ફાળવીને આ મહાન વૈજ્ઞાનિક ક્રાંતિમાં ભાગીદાર બની શકે છે.